Lvs 集群简介

随着现金站点的访问量越来越大，提高服务器应对大量的并发，向上扩展即提高设备配置，会有瓶颈，而且性价比太低，所以有了横向的扩展，即将用户的请求分摊至多台服务器，以此来解决大量用户的并发访问。

高可用集群（High Availability)用于保障服务的可用性，在全局提高负载均衡服务，集群的思路是将大业务切割分为多个小业务；分布式的应用、分布式的静态资源、分布式数据和存储、以及分布式计算等；集群主要有LB、HA、HP，接下来主要介绍的LB集群。LB集群是通过调度器（director)来实现其功能;有tcp调度器：根据请求报文的目标地址和端口进行调度；还有应用层调度器：根据请求的内容进行调度，而且此种调度为“代理”方式。

lvs集群是由我们国家的章文嵩教授与1998年，创建的项目，后被linux收入，由工作在内核空间的ipvs和工作在用户空间的ipvsadm组成；ipvs工作于netfilter的INPUT链接，ipvsadm用于在ipvs上定义集群服务：同时也得定义此集群服务对应于有哪个后端主机可用；根据所指定的调度方法（算法）作出调度决策；pvs支持的协议有：TCP, UDP, SCTP, AH, ESP, AH_ESP。

在lvs集群中，有几个常用的术语约束，Director为调度器，主用用于根据算法做出调度决定；RS为Real Server，即为后端提供服务的主机；在ip层，CIP为用户IP，VIP为Director上面对客户端的ip；DIP为调度器用于与后端主机通信的IP，RIP为后端主机的IP。

lvs的类型主要有四种，lvs-nat、lvs-dr、lvs-tun，最后一种lvs-fullnat是淘宝研发的，主要应用于大型互联网公司，例如BAT ，本文不做详细介绍；                                                                                                                  lvs-nat：类似于DNAT,但支持多目标转发；它通过修改请求报文的目标地址为根据调度算法所挑选出的某RS的RIP来进行转发；

                架构特性：

            (1) RS应该使用私有地址，即RIP应该为私有地址；各RS的网关必须指向DIP；

            (2) 请求和响应报文都经由Director转发；高负载场景中，Director易于成为系统瓶颈；

            (3) 支持端口映射；

            (4) RS可以使用任意类型的OS;

                        (5) RS的RIP必须与Director的DIP在同一网络；

lvs-dr：直接路由

Director在实现转发时不修改请求的IP首部，而是通过直接封装MAC首部完成转发；目标MAC是Director根据调度方法挑选出某RS的MAC地址；拓扑结构有别有NAT类型；

  架构特性：

  (1) 保证前端路由器将目标地址为VIP的请求报文通过ARP地址解析后送往Director                                                     解决方案：

           静态绑定：在前端路由直接将VIP对应的目标MAC静态配置为Director的MAC地址；

           arptables：在各RS上，通过arptables规则拒绝其响应对VIP的ARP广播请求；

           内核参数：在RS上修改内核参数，并结合地址的配置方式实现拒绝响应对VIP的ARP广播请求；

 (2) RS的RIP可以使用私有地址；但也可以使用公网地址，此时可通过互联网上的主机直接对此RS发起管理操作；

 (3) 请求报文必须经由Director调度，但响应报文必须不能经由Director;

   (4) 各RIP必须与DIP在同一个物理网络中；

 (5) 不支持端口映射；

 (6) RS可以使用大多数的OS；

 (7) RS的网关一定不能指向Director；

                                                             

lvs-tun: 

    不修改请求报文IP首部，而是通过IP隧道机制在原有的IP报文之外再封装IP首部，经由互联网把请求报文交给选定的RS；

       架构特性：

  (1) RIP, DIP, VIP都是公网地址；

  (2) RS的网关不能，也不可能指向DIP;

     (3) 请求报文由Director分发，但响应报文直接由RS响应给Client；

  (4) 不支持端口映射；

  (5) RS的OS必须得支持IP隧道; 

lvs-fullnat：通过请求报文的源地址为DIP，目标为RIP来实现转发；对于响应报文而言，修改源地址为VIP，目标地址为CIP来实现转发；

    架构特性：

       (1) RIP,DIP可以使用私有地址；

       (2) RIP和DIP可以不在同一个网络中，且RIP的网关未必需要指向DIP；

       (3) 支持端口映射；

       (4) RS的OS可以使用任意类型；

       (5) 请求报文经由Director，响应报文经由Director；

lvs scheduler（调度器）共有十种调度方法:

           静态方法：仅根据算法本身实现调度；

         RR: round-robin, 轮询；轮叫、轮调、轮流，即按照一定次序逐一将请求分配至服务器；

        WRR：weighted round-robin, 加权（负载能力）轮询；按照权重来分配；

        SH：Source ip Hashing，源地址哈希；把来自同一个地址请求，统统定向至此前选定的RS;

                DH：Destination ip Hashing, 目标地址哈希；把访问同一个目标地址的请求，统统定向至此前选定的某RS；

 

         动态方法：根据算法及后端RS当前的负载状况实现调度；

        LC: least connection 通过判断最少连接来调度；

                          Overhead=Active（活动链接）*256+Inactive（非活动连接）

        WLC: weighted least connection   （使用比较普遍的调度方法）

             Overhead=(Active*256+Inactive)/weight

                 SED：Shorted Expection Delay  (权重相差较大的话，可能权重小的一个连接都没有)

                          Overhead=(Active+1)*256/weight

                 NQ：Never Queue  首先将服务器扫一遍，然后每个加一个连接，之后再按SED

                 LBLC：Local-Based Least Connection，通过判断负载，动态方式的DH算法；

        LBLCR：Replicated LBLC， RS会有共享缓存；动态的分配访问目标地址的请求；

Session 保持，即对服务器的保持的方法；

Session Sticky sh算法，将基于来自同一个用户，通过源IP绑定RS（或基于cookie绑定，不适用于lvs）；

Session Replication Cluster；在个server之间以多播方式“复制”各session，从而每个server会持有所的session；

Session Server  建立缓存服务器，当做主机共享服务的存储器（redis,memcached)；

 

接下来介绍lvs的具体实施方法，以及相应的案例，由于lvs-tun在现实中几乎不可见，本文就没有给出实施的案例；

需要先安装，yum install ipvsadm

ipvsadm命令的用法：

   管理集群服务：

     创建或修改：

        ipvsadm -A|E -t|u|f service-address [-s scheduler]

                       -A: 添加

            -E：修改

            -t: 承载的应用层协议为基于TCP协议提供服务的协议；其service-address的格式为“VIP:PORT”，如“172.16.100.6:80”；

            -u: 承载的应用层协议为基于UDP协议提供服务的协议；其service-address的格式为“VIP:PORT”，如“172.16.100.6:53”；

            -f:承载的应用层协议为基于TCP或UDP协议提供服务的协议，但此类报文会经由iptables/netfilter打标记，即为防火墙标记；其service-address的格式为“FWM”，例如“10”；

            -s scheduler: 指明调度方法；默认为wlc；

     删除：

            ipvsadm -D -t|u|f service-address

             管理集群服务上的RS：

          添加或修改：

                ipvsadm -a|e -t|u|f service-address -r server-address [-g|i|m] [-w weight]

                                     -r server-address: 指明RS，server-address格式一般为“IP[:PORT]”；注意，只支持端口映射的lvs类型中才应该显式定义此处端口

                      例如：-r 192.168.10.7:80

                                [-g|i|m]: 指明lvs类型

                       -g: gateway, 意为dr类型；

                       -i: ipip, 意为tun类型；

                       -m: masquerade, 意为nat类型；

                [-w weight]：当前RS的权重；

                       注意：仅对于支持加权调度的scheduler，权重才有意义；

                    删除：

              ipvsadm -d -t|u|f service-address -r server-address

 

清空所有集群服务的定义：

ipvsadm -C

 

保存及恢复集群服务及RS的定义：

       保存

ipvsadm -S > /etc/sysconfig/ipvsadm

ipvsadm-save > /etc/sysconfig/ipvsadm

service ipvsadm save

 

                              恢复数据

ipvsadm -R < /etc/sysconfig/ipvsadm

ipvsadm-restore < /etc/sysconfig/ipvsadm

service ipvsadm restart

 

查看规则：

ipvsadm -L|l [options]

-c: 列出当前所有connection；

--stats: 列出统计数据

--rate: 列出速率

-n, --numeric: 数字格式显示IP及端口；

--exact: 精确值；

 

清空计数器：

ipvsadm -Z [-t|u|f service-address]

下面给出lvs-nat的实施案例：

第一步：在Director上建立lvs-nat以及添加RS(real server) 这里即 192.168.100.2和 192.168.100.3

此处Director的VIP为172.16.18.10；

       [root@localhost ~]# ipvsadm -A 172.16.18.10:80 -

         [root@localhost ~]# ipvsadm -a -t 172.16.18.10:80 -r 192.168.100.2 -m -w 2

        [root@localhost ~]# ipvsadm -a -t 172.16.18.10:80 -r 192.168.100.3 -m -w 2

        [root@localhost ~]# ipvsadm -L -n

        IP Virtual Server version 1.2.1 (size=4096)

        Prot LocalAddress:Port Scheduler Flags

          -> RemoteAddress:Port           Forward Weight ActiveConn InActConn

        TCP  172.16.18.10:80 wlc

          -> 192.168.100.2:80             Masq    2      0          0        

          -> 192.168.100.3:80             Masq    2      0          0  

 

第二步：在Director上的第二块网卡设置IP，需要与RS的RIP在同一网段，以及将RS的网关指向Director的第二个网关

 

   设置Director的第二个网卡DIP

在192.168.100.2上设置ip以及将网关指向Director的DIP，在192.168.100.3上做同样的设置：

在httpd下的默认网页路径下写一个index.html，在192.168.100.3上写node3.magedu.com，在192.168.100.2上写node2.magedu.com用于区别；然后启动httpd服务；

第三步，在Director上提供转发服务

[root@localhost ~]# vim /etc/sysctl.conf 

使用sysctl -p 用以查看是否转发的状态；

打开网页，由于两台RS的权重都为2，所以刷新会轮流得到如下的页面：

lvs-dr：

如下为lvs-dr的实验拓扑图：

Director：

(1) VIP配置在物理接口的别名上

ifconfig INTERFACE:ALIAS $vip broadcast $vip netmask 255.255.255.255

(2) 配置路由信息

route add -host $vip dev INTEFACE:ALIAS

     

RS:

(1) 先修改内核参数，将每一个RS的内核参数都修改

 

echo 1 > /proc/sys/net/ipv4/conf/all/arp_ignore

echo 2 > /proc/sys/net/ipv4/conf/all/arp_announce

 

echo 1 > /proc/sys/net/ipv4/conf/lo/arp_ignore

echo 2 > /proc/sys/net/ipv4/conf/lo/arp_announce

 

(2) VIP配置在lo的别名上

ifconfig lo:0 $vip broadcast $vip netmask 255.255.255.255 up

                      [root@www www1]# ifconfig lo:0 172.16.90.2 broadcast 172.16.90.2 netmask 255.255.255.255 up

测试： ping Dircetor上的VIP，可以通，而且得到的地址为DIP的地址，说明只能够到达Director

arp -a指令查看Director上，VIP和DIP是否为同一个mac；

(3) 配置路径信息，在两天RS上都如下配置；

 

route add -host $vip dev lo:0

设置转发策略：将访问VIP的通过转发策略转发至RIP

 

root@localhost ~]# ipvsadm -A -t 172.16.90.2:80 -s rr

Zero port specified for non-persistent service

[root@localhost ~]# ipvsadm -A -t 172.16.90.2:80 -s rr

[root@localhost ~]# ipvsadm -a -t 172.16.90.2:80 -r 172.16.80.6 -g -w 2

[root@localhost ~]# ipvsadm -a -t 172.16.90.2:80 -r 172.16.80.7 -g -w 2

启动两人RS的httpd服务，访问Director的VIP，论调得到如下界面；